JP2005081657A

JP2005081657A - 繊維補強水硬性硬化体組成物からなるプレキャストコンクリート成型体

Info

Publication number: JP2005081657A
Application number: JP2003315221A
Authority: JP
Inventors: Atsuhisa Ogawa; 敦久小川; Hideki Yasushiro; 秀樹保城; Jun Aramaki; 潤荒牧
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2003-09-08
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】軽量かつ高靭性であり、また鉄筋由来の錆の発生も無くすことが可能なプレキャストコンクリート成型体を提供する。
【解決手段】補強繊維が含有されてなる水硬性組成物を遠心成形法で成形して得られるプレキャストコンクリート成型体であって、曲げ破壊試験を行った際の、第一ひび割れ発生時のたわみをＡ（ｍｍ）、このときの曲げ応力をＢ（Ｎ／ｍｍ^２）とするとき、５×Ａ（ｍｍ）のたわみを呈するときの曲げ応力が０．８×Ｂ（Ｎ／ｍｍ^２）以上２０×Ｂ（Ｎ／ｍｍ^２）以下であるプレキャストコンクリート成型体。
【選択図】なし

Description

本発明は、有機繊維を添加してなる水硬性組成物を遠心成形法により成型することによって得られる、プレキャストコンクリート成型体に関する。

従来ヒューム管等に用いられているコンクリート製円筒管は遠心成形法により製造されている。これら円筒管において、補強として鉄筋を用いる場合には一般的に２〜３ｍｍφの鉄筋が使用されており、さらに腐食防止のために３０ｍｍ程度のかぶりを確保することが必要となっている。よって鉄筋を配したコンクリート製円筒管は管厚が５０ｍｍ以上となることが必要であるため、軽量化に限界があった。そこで軽量骨材等を用いた軽量コンクリートとするなどの工夫がなされているが、コンクリートが脆くなるなどの問題が生じる。また大きなひび割れの発生による鉄筋の錆発生等も問題となっていた。
上記問題点を解決するために、従来よりコンクリートに補強繊維を添加する技術が用いられており、例えば鋼繊維、ガラス繊維、炭素繊維の金属繊維あるいは無機繊維が補強繊維として使用されていた。しかしながら、鋼繊維を用いると錆の原因となることや、繊維そのものの密度が大きいために薄肉化が達成されても軽量となりにくい。ガラス繊維は耐アルカリ性が低く耐久性が低くなる問題を抱えている。炭素繊維は一般的に繊維径が小さいため練り混ぜが難しいなどの問題があった。このような問題点を解決するために、補強繊維として有機繊維を使用する技術が提案されている（例えば特許文献１〜３参照。）。

特開平１１−１０６２８号公報特開平１１−２０７７２５号公報特開２００１−３４８２８２号公報

しかしながら、これらの方法では補強による靭性の発現が必ずしも十分ではなく、その結果発生するひび割れの本数が少ないためにひび割れ開口幅が大きくなり、管内外への内容物の漏洩・浸透が避けられないという問題点を抱えていた。

上記問題点を解決するために本発明者等は鋭意検討を行った結果、コンクリート製円筒管を製造するにあたり、普通コンクリートに補強繊維を配合した高靭性コンクリートを用いることによって、鉄筋を配することが無くなるために薄肉化が達成され、また鉄筋由来の錆の発生も無くすことが可能となる。また鉄筋を配することが出来ない場合においても、高靭性コンクリートとすることで、発生するひび割れを分散させ、且つひび割れ幅を小さくすることができ、その結果外部からの水等の浸入を防ぐことができ、その結果錆の発生を抑制することができる。

すなわち本発明は、補強繊維が含有されてなる水硬性組成物を遠心成形法で成形して得られるプレキャストコンクリート成型体であって、曲げ破壊試験を行った際の、第一ひび割れ発生時のたわみをＡ（ｍｍ）、このときの曲げ応力をＢ（Ｎ／ｍｍ^２）とするとき、５×Ａ（ｍｍ）のたわみを呈するときの曲げ応力が０．８×Ｂ（Ｎ／ｍｍ^２）以上２０×Ｂ（Ｎ／ｍｍ^２）以下であるプレキャストコンクリート成型体に関する。
［曲げ破壊試験方法］
厚さ５ｍｍ、幅６０ｍｍ、長さ２００ｍｍの試験体を支点間距離１８０ｍｍ、載荷点間距離６０ｍｍ、載荷速度０．５ｍｍ／ｍｉｎにて３等分点載荷曲げ試験を行う。
そして本発明は好ましくは、補強繊維が下記１）、２）を満足する有機合成繊維であり、かつ該有機合成繊維を０．５体積％以上５．０体積％以下含有されてなる上記のプレキャストコンクリート成型体である。
１）繊維繊度が５〜１００ｄｔｅｘ、繊維長が４〜２０ｍｍであること、
２）繊維強度が１０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、アスペクト比が１００〜６００であること、
また本発明はより好ましくは補強繊維がポリビニルアルコール系繊維および／またはポリオレフィン系繊維である上記のプレキャストコンクリート成型体に関する。

本発明によって、高い靭性を示す繊維補強遠心成形プレキャストコンクリート成型体が得られ、従来の製品と比較して薄肉化による軽量化を達成することができる。

以下、本発明のプレキャストコンクリート成型体についてさらに詳しく説明する。本発明におけるプレキャストコンクリート成型体は、水、セメント、砂等からなる水硬性物質に後述の特性を有する本発明の補強繊維を配合して得られる水硬性組成物を管状に遠心成形して得られる。

本発明のプレキャストコンクリート成型体に用いる補強繊維は繊維繊度５〜１００ｄｔｅｘ、繊維長が４〜２０ｍｍであり、強度が１０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、アスペクト比が１００〜６００の有機合成繊維であることが好ましい。繊維繊度が５ｄｔｅｘよりも小さい場合はコンクリートとの練り混ぜが困難になり、均一な繊維の分散が達成されない。また繊維繊度が１００ｄｔｅｘよりも大きい場合はセメントとの親和性を確保するに十分な表面積が得られにくく、したがって靭性が発揮されにくくなる。より好ましくは６〜９０ｄｔｅｘであり、さらに好ましくは１０〜８０ｄｔｅｘである。また繊維長が４ｍｍよりも小さい場合はセメントとの親和性が不足して靭性が発揮されにくくなり、逆に２０ｍｍよりも大きい場合には繊維同士の絡まりが発生しやすく、ファイバーボールの発生等、繊維分散不良の原因となる。より好ましくは５〜１８ｍｍであり、さらに好ましくは６〜１５ｍｍである。

本発明で用いる補強繊維の強度は高ければ高いほど良いが、高靭性化を達成するためには１０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上の強度を有することが好ましい。１０ｃＮ／ｄｔｅｘよりも強度が低い場合は靭性が十分に発揮されない。より好ましくは１１ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であり、さらに好ましくは１２ｃＮ／ｄｔｅｘ以上３０ｃＮ／ｄｔｅｘ以下である。また補強繊維のアスペクト比は１００〜６００であることが好ましい。アスペクト比が１００よりも小さい場合はセメントとの親和性が不足して靭性が発揮されにくくなり、逆に６００よりも大きい場合には繊維同士の絡まりが発生しやすく、ファイバーボールの発生等、繊維分散不良の原因となる。より好ましくは１５０〜５５０の範囲であり、さらに好ましくは２００〜５００の範囲である。なお、アスペクト比は繊維長を繊維横断面面積と同一面積を有する円の直径で除して求められる。

水硬性物質への、本発明の補強繊維の添加量は所望する靭性に合わせて調節することが可能であるが、高靭性を得るためには０．５体積％以上を添加することが好ましい。特にひび割れ分散を達成し、またひび割れ幅を小さく抑制するためには、１．２体積％以上添加することがより好ましい。しかしながら繊維添加量が大きくなると繊維同士の絡み合いが多くなり、そのため繊維の均一分散が達成されにくくなり施工性が低下したり、所望する高靭性が得られなくなるなどの欠点が生じる。したがって繊維添加量の上限は５．０体積％以下とすることが好ましく、より好ましくは４．０体積％以下である。

補強繊維としては一般的にコンクリート補強用繊維として用いられている繊維を用いることができるが、中でも有機繊維が好適である。特に強度、耐アルカリ性などの観点から、ポリビニルアルコール（以下、ＰＶＡと略記する）系繊維、あるいはポリオレフィン系繊維等の有機合成繊維を用いるのが好ましく、さらにはＰＶＡ系繊維とポリオレフィン系繊維を併用してもかまわない。ポリプロピレン繊維などのポリオレフィン系繊維は一般的に強力が低いため高靭性化が十分に達成されにくいが、高延伸などにより強力を高めることにより使用可能となる。

本発明にて得られる成型体の第一ひび割れ発生時のたわみをＡ（ｍｍ）、このときの曲げ応力をＢ（Ｎ／ｍｍ^２）とするとき、５×Ａ（ｍｍ）のたわみを呈するときの曲げ応力が０．８×Ｂ（Ｎ／ｍｍ^２）以上２０×Ｂ（Ｎ／ｍｍ^２）以下であることが重要である。従来、コンクリートにおいて、一度ひび割れが発生すると耐久性が急激に低下し、最終的には消失してしまうが、繊維補強によって、第一ひび割れ発生後も曲げ応力を示し、破壊靭性を向上させることが可能となる。特に本発明においては、水硬性物質に特定の物性を有する本発明の補強繊維を含有させることにより、第一ひび割れ発生時の５倍の曲げたわみを生じることができ、かつその時の曲げ応力が第一ひび割れ発生時の０．８倍以上となる、高い靭性を示す成型体が得られる。ただし一般的には、水硬性組成物中のマトリックスの強度を低下させて繊維添加量を多くすると、第一ひび割れ発生時の曲げ応力に対する５×Ａの曲げたわみを呈するときの曲げ応力の比を大きくすることも可能であるが、その場合第一ひび割れ発生時の応力が低すぎるので、本発明の目的とする高靭性を有するプレキャストコンクリート成型体が得られない。
本発明において、５×Ａ（ｍｍ）のたわみを呈するときの曲げ応力の上限は２０×Ｂ（Ｎ／ｍｍ^２）以下であることが好ましく、より好ましくは１．０×Ｂ（Ｎ／ｍｍ^２）以上１５×Ｂ（Ｎ／ｍｍ^２）以下、さらに好ましくは１．２×Ｂ（Ｎ／ｍｍ^２）以上１０×Ｂ（Ｎ／ｍｍ^２）以下である。

具体的な曲げ応力の値は成型体の形態、大きさ、組成等により変化するが、成型体と同様の水硬性組成物を用いる以外は実施例と同様の方法で供与体を製造した場合、第一ひび割れ発生時の応力が１０Ｎ／ｍｍ^２以上、特に１１Ｎ／ｍｍ^２以上であるものが好ましく、５×Ａ（ｍｍ）のたわみを呈するときに曲げ応力が１０Ｎ／ｍｍ^２以上、特に１４Ｎ／ｍｍ^２以上であるものが好ましい。なお本発明でいう第一ひび割れ発生時とは、図２に示すようなたわみー応力曲線を作成したとき、たわみと応力が実質的に比例関係を有し、かつ最大のたわみを示すときをいう。成型体のたわみー応力曲線を作成できない場合等には、成型体と同様の水硬性組成物を用いる以外は実施例と同様に供与体を作成し、かかる供与体について測定すればよい。

本発明に使用される水硬性物質は特に限定されないが、ポルトランドセメントに代表される一般的なセメントを用いることができ、高炉セメント、フライアッシュセメント、アルミナセメント等を使用してもよく、これらを併用してもよい。また骨材としては、細骨材として川、海、陸の各砂、破砂、砕石等やこれらの混合砂、あるいは粒度を調節した珪砂類、珪砂粉等を用いることができる。また人工の軽量骨材、充填材を配合してもよく、具体的にはシリカフューム、フライアッシュ、石灰石粉、パ−ライト、炭酸カルシウム、バ−ミュライト、シラスバル−ン等が挙げられる。さらに混和剤として、高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤、空気連行剤、流動化剤、増粘剤、保水剤、撥水剤、膨脹剤、硬化促進剤、凝結遅延剤などを併用してもよい。中でも増粘剤を使用することは遠心成形時の形状維持、補強繊維の均一分散に有効であり、セメントに対して０．０５〜５質量％を添加するのが好適である。また高性能ＡＥ減水剤を併用することは、フレッシュコンクリートの流動性を改善し、成形体表面の平滑性の改善、成形体の厚みの均一化などに有効である。さらに、遠心成形時に水が絞り出されるが、これらを配合することによって水硬性材料中の自由水を低減でき、スラッジの発生を減らすこともできる。

水硬性物質の組成は特に限定されないが、高靭性を発揮させるために複合材内部での応力の伝達を円滑にする点から、実質的に粗骨材を配合しないことが好ましく、その場合はより優れた補強効果を得ることができる。粗骨材を配合しない場合の配合としては、具体的に挙げるならば、セメント８０〜１２０質量部、水４０〜８０質量部を配合した組成物とするのが好ましく、さらに他の添加剤等配合してもよい。例えば、さらに硅砂８０〜１２０質量部、シリカヒューム１０〜５０質量部、増粘剤０．０５〜５質量部、高性能ＡＥ減水剤０．１〜５質量部のいずれか１種以上あるいは全部を配合するのが好ましい。

本発明におけるプレキャストコンクリート成型体は遠心成形によって成形される。遠心成形は一般的に知られているヒューム管などの製造方法と同様の、既知の製造方法によって製造することができる。具体的には、例えば遠心成形機を低速回転させながらスラリーを投入し、材料が型枠内に均一に伸びた状態を確認したのちに徐々に、あるいは段階的に高速回転させて成形する方法である。得られた成形体は、水中、蒸気中、あるいは調湿雰囲気中など、一般的な既知の方法により養生を行うことができる。このような養生の前に、常温よりも高温の、蒸気中での短時間の一次養生を行ってもよい。

本発明の、コンクリート製円筒管を製造するにあたり、普通コンクリートに補強繊維として有機合成繊維を配合することによって高靭性コンクリートとし、これを用いることによって、鉄筋を配することが無くなるために薄肉化が達成され、また鉄筋由来の錆の発生も無くすことが可能となる。また鉄筋を配することが出来ない場合においても、高靭性コンクリートとすることで、発生するひび割れを分散させ、且つひび割れ幅を小さくすることができ、その結果外部からの水等の浸入を防ぐことができ、その結果錆の発生を抑制することができる。

以下、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明は実施例によって限定されるものではない。なお、本発明において繊維繊度、繊維強度、破断伸度、繊維分散性、得られた円筒管からなる成型体の保形性、管厚、ひび割れ本数、最大応力、最大応力時変位は以下の測定方法により測定されたものを意味する。

［繊維繊度ｄｔｅｘ］
得られた繊維状物の一定試長の質量を測定して見掛け繊度をｎ＝１０以上で測定し、平均値を求めた。なお、一定糸長の質量測定により繊度が測定できないものはＶＩＢＲＯＭＡＴＭ［Ｔｅｘｔｅｃｈｎｏ製］により測定した。

［繊維強度ｃＮ／ｄｔｅｘ］
予め温度２０℃、相対湿度６５％の雰囲気下で５日間繊維を放置して調湿した後、単繊維を試長６０ｍｍとし、引張速度６０ｍｍ／分としてＦＡＦＥＧＲＡＰＨＭ［Ｔｅｘｔｅｃｈｎｏ製］にて繊維強力を測定し、該強力を繊度で除して強度をｎ＝１０以上で測定し、平均値を求めた。

［繊維分散性］
スラリー状態を目視にて観察し、繊維が均一に分散している場合は「均一」、ファイバーボール等の凝集が発生している場合は「不均一」として繊維の分散状態を評価した。

［成型体の保形性］
遠心成形後の保形性について、ダレの発生の有無を目視にて観察し、評価した。

［管厚ｍｍ］
円周に沿って成型体の厚さをノギスにて測定して求めた。

［成型体のひび割れ本数本、最大応力Ｎ、最大応力時変位ｍｍ］
内径１００ｍｍの遠心成形によって得られた成型体を２００ｍｍの長さに輪切りにし、図１に示すように、島津製作所製万能試験機を用いて毎分０．２ｍｍのクロスヘッド速度にて圧縮力を加え、押しつぶし試験を実施し、押しつぶし試験実施後の円筒管外周に発生したひび割れの本数と、最大応力、及び最大応力時の、載荷点の荷重方向に対する変位を測定した。測定点を図２に応力−変位曲線の例により示す。成型体の外周に発生したひび割れ本数と最大応力および最大応力時変位を測定した。

［成型体の曲げ破壊試験］
内径２００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、管厚２０ｍｍの遠心成形による成型体を作製し、厚さ５ｍｍ、幅６０ｍｍ、長さ２００ｍｍの板状試験片をダイヤモンドカッターで切り出した。これを島津製作所製オートグラフを用いて、支点間距離１８０ｍｍ、載荷点間距離６０ｍｍ、載荷速度０．５ｍｍ／ｍｉｎにて３等分点載荷曲げ試験を行い、図２に示すようなたわみー応力曲線を作成し、第一ひび割れ発生時のたわみＡ（ｍｍ）、第一ひび割れ発生時の曲げ応力Ｂ（Ｎ／ｍｍ^２）、５×Ａ（ｍｍ）のたわみを呈するときの曲げ応力（Ｎ／ｍｍ^２）を測定した。

［実施例１〜４、比較例１〜４］
（１）セメント（太平洋セメント製普通ポルトランドセメント）、砂（珪砂7号）、シリカフューム（エルケム社製シリカフューム）、増粘剤（信越化学工業製「ｈｉ−メトローズ９０ＳＨ−４０００」）、を表１に示す組成にて、５Ｌスケールオムニミキサーを用いて各々３０秒間乾式混合した後、水及び高性能ＡＥ減水剤（ポゾリス物産製「レオビルドＳＰ−８Ｓ」）を添加して３分間湿式混合した。これに表１のＡ〜Ｄの繊維を各々添加してさらに２分間混合し、スラリーを得た。この時、得られたスラリーを目視観察して繊維分散状態を評価した。
（２）直径１００ｍｍの型枠を遠心成形機内に固定して１５０ｒｐｍで回転させながら上記（１）にて得られたスラリーを投入し、スラリーが型枠内に均一に伸びていることを確認した後に、回転数３００ｒｐｍにて１分間、その後６６０ｒｐｍにて２分間、さらに２００ｒｐｍにて２分間遠心成形を行った。その後型枠を遠心成形機から取り出し、５０℃の養生槽に移し、１２時間の１次養生後に脱型した。
（３）１次養生後に２０℃の水中にて１４日間の養生を実施した後、成形後の繊維分散状態、成形後のダレ、管厚を測定した。結果を表１に示す。
（４）さらに得られた円筒管を輪切りにし、図１に示すように円周方向に圧縮力を加えて押しつぶし試験を実施し、円筒管外周に発生したひび割れの本数と最大応力及び最大応力時変位を測定した。結果を表２に示す。

（５）内径２００ｍｍの型枠を遠心成形機内に固定して１２０ｒｐｍで回転させながら、上記（１）にて得られたスラリーを投入し、スラリーが型枠内に均一に充填していることを確認後、回転数２４０ｒｐｍにて１分間、その後４８０ｒｐｍにて２分間、さらに２００ｒｐｍにて２分間遠心成形を行った。その後型枠を遠心成形機から取り出し、５０℃の養生槽に移し、１２時間の一次養生後に脱型した。さらにその後２０℃の水中にて１４日間の養生を実施した後、厚さ５ｍｍ、幅６０ｍｍ、長さ２００ｍｍの板状試験体を切り出した。
（６）上記（５）にて得られた板状試験体を支点間距離１８０ｍｍ、載荷点間距離６０ｍｍ、載荷速度０．５ｍｍ／ｍｉｎにて３等分点載荷曲げ試験を行い、第一ひび割れ発生時たわみ（ｍｍ）、第一ひび割れ発生時応力（Ｎ／ｍｍ^２）、５×Ａ（ｍｍ）のたわみを呈する際の曲げ応力を測定した。結果を表３に示す。

表１に示すように、実施例１〜４においてはいずれも遠心成形後のダレなどは見られず、脱型後の表面も平滑で管厚も均一なものであった。これに対して比較例１〜４においては一部に遠心成形後のダレ、管厚の不均一などの不具合が見られた。

また表２に複合材の押しつぶし試験結果を示す。実施例１〜４においてはいずれもひび割れ分散が確認され、最大応力及び最大応力時変位の大きな成形体を得ることが出来た。これに対して比較例１〜４においてはひび割れ本数が少なく、最大応力時変位が実施例１〜４よりも小さい結果であった。

さらに表３に複合材の曲げ破壊試験結果を示す。実施例１〜４においてはいずれも第一ひび割れ発生時のたわみの５倍以上となるたわみを示し、またその際の曲げ応力はいずれも第一ひび割れ発生時の曲げ応力の０．８倍を超えるものであり、高い靭性を有する成型体が得られた。これに対して比較例１、３においてはいずれも第一ひび割れ発生時のたわみの５倍を超える曲げたわみを示すことができず、また比較例２、４においては第一ひび割れ発生時の曲げ応力の０．８倍を下回るものであり、いずれも十分な靭性を有する成型体が得られなかった

本発明の成型体の押しつぶし試験方法の一例を示す図である。本発明の成型体の応力−変位曲線の一例を示す図である。

Claims

補強繊維が含有されてなる水硬性組成物を遠心成形法で成形して得られるプレキャストコンクリート成型体であって、曲げ破壊試験を行った際の、第一ひび割れ発生時のたわみをＡ（ｍｍ）、このときの曲げ応力をＢ（Ｎ／ｍｍ^２）とするとき、５×Ａ（ｍｍ）のたわみを呈するときの曲げ応力が０．８×Ｂ（Ｎ／ｍｍ^２）以上２０×Ｂ（Ｎ／ｍｍ^２）以下であるプレキャストコンクリート成型体。
［曲げ破壊試験方法］
厚さ５ｍｍ、幅６０ｍｍ、長さ２００ｍｍの試験体を支点間距離１８０ｍｍ、載荷点間距離６０ｍｍ、載荷速度０．５ｍｍ／ｍｉｎにて３等分点載荷曲げ試験を行う。
補強繊維が下記１）、２）を満足する有機合成繊維であり、かつ該有機合成繊維を０．５体積％以上５．０体積％以下含有されてなる請求項１記載のプレキャストコンクリート成型体。
１）繊維繊度が５〜１００ｄｔｅｘ、繊維長が４〜２０ｍｍであること、
２）繊維強度が１０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、アスペクト比が１００〜６００であること、
補強繊維がポリビニルアルコール系繊維および／またはポリオレフィン系繊維である請求項１または２記載のプレキャストコンクリート成型体。